[發明專利]一種空間六自由度獨立可控四旋翼無人飛行器及其控制方法

有效

• 申請號: 201710046123.2
• 申請日: 2017-01-22
• 公開（公告）號: CN106892094B
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發明（設計）人: 宋彥國;王煥瑾;陳忠俊
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B64C27/08
• 分類號: B64C27/08;B64C27/14;B64C27/59
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔;徐曉鷺

本發明公開了一種空間六自由度獨立可控四旋翼無人飛行器及其控制方法，包括機身、機臂和控制器，四條機臂固定在機身上，機臂末端安裝有可多自由度操縱的旋翼短艙系統，旋翼采用中心鉸式槳轂，并由電機驅動，可變距、變轉速。舵機控制自動傾斜器，實現旋翼總距、周期變距操縱，在舵機控制下槳盤可向任意方向傾倒；各個旋翼的總距、縱橫向周期變距和轉速獨立控制。每副旋翼提供三個方向的力和三個方向的力矩，四副旋翼的組合協調，使飛行器在空中飛行時的六個自由度（三個線速度、三個姿態角）解耦，速度和姿態獨立可控。飛行器擁有六個通道輸入：前后速度、左右速度、上下速度、俯仰姿態、滾轉姿態、航向姿態，分別對應飛行器飛行的六個自由度。

技術領域

本發明涉及無人機技術領域，特別涉及一種多旋翼飛行器六自由度解耦控制技術，具體屬于無人機飛行力學與控制技術領域。

背景技術

多旋翼飛行器利用多個旋翼，可以實現向任意方向飛行和空中懸停，能夠完成多種任務。如利用多旋翼無人機搭載微型相機進行航拍，或者搭載各種測量儀器，進行高空探測或拋投物品。如今，多旋翼飛行器已經在農業、氣象、電力、災害預警和救援等多領域得到了廣泛應用。

目前，大多數多旋翼無人機采用螺旋槳來提供升力，由于螺旋槳不可變距，改變拉力大小都是通過調節電機轉速來實現的，且由于螺旋槳拉力方向不可相對機身傾斜，因此無論是前飛還是改變航向必然導致也必須要求機身姿態的改變，即存在速度與姿態耦合的問題。在機身需要不斷傾斜的情況下，飛行的穩定性受到了影響，儀器設備工作在一個晃動的平臺上，難以達到最佳的效果。為了消除這種不穩定性，一般采用增穩云臺如三軸增穩云臺，但是卻增加了不必要的結構，而且對控制系統的要求比較高，無疑增加了飛行器的復雜程度。

目前需要一種在機械結構上實現旋翼拉力方向可變的多旋翼無人飛行器，保證飛行器在飛行過程中線速度和姿態解耦，即飛行速度與飛行姿態無關。

發明內容

針對前述背景技術，本發明提供了一種空間六自由度獨立可控的無人飛行器，實現速度和姿態的解耦控制。

本發明提供的一種空間六自由度獨立可控四旋翼無人飛行器，包括機身5、機臂2、控制器7、起落架3，所述機臂2有四條，呈十字形對稱分布在所述機身5上，每條機臂2的末端設有旋翼短艙系統，所述旋翼短艙系統包括前旋翼短艙系統1、后旋翼短艙系統6、左旋翼短艙系統4、右旋翼短艙系統8，各個旋翼短艙系統上的旋翼分別為前旋翼、后旋翼、左旋翼、右旋翼；

每套旋翼短艙系統包括槳轂9、槳葉10、槳葉變距搖臂11、上拉桿12、自動傾斜器13、下拉桿21、舵機14、舵機搖臂15、滑道22、上軸承座24、上軸承27、旋翼軸23、下軸承座25、下軸承26、夾板19、變速器17、小齒輪18、電機16、電機座20；

所述變速器17固定在所述旋翼軸23下端，所述下軸承26與所述旋翼軸23配合，位置在所述變速器17上方，所述下軸承座25與所述下軸承26配合，并固定在所述夾板19上，所述上軸承27與所述旋翼軸23配合，所述上軸承座24與所述上軸承27配合，并固定在所述夾板19上，所述滑道22固定在所述上軸承座24上，所述自動傾斜器13有動環和不動環，動環在不動環上方，所述槳葉變距搖臂11與所述槳轂9連接，所述舵機14安裝在所述夾板19上，舵機轉子上安裝有所述舵機搖臂15，所述上拉桿12一端與所述槳葉變距搖臂11連接，另一端與所述自動傾斜器13的動環連接，所述下拉桿21一端與所述自動傾斜器13的不動環連接，另一端與所述舵機搖臂15連接，所述電機座20安裝在所述夾板19上，所述電機16安裝在所述電機座20上，所述小齒輪18與所述電機16的轉子連接，所述變速器17與所述小齒輪18嚙合，整個旋翼短艙系統通過所述夾板19安裝在每條機臂2的末端；